细观结构对混凝土梁静动承载力影响的三点弯数值试验研究

论文摘要

本文采用细观计算力学方法,将混凝土梁在细观层次上看成是由粗骨料、砂浆及其二者之间的界面组成的非均质复合材料,采用有限元方法,在对大型商业有限元软件Ansys二次开发的基础上,引入双折线损伤模型,对三级配混凝土梁在静、动荷载下的力学性能和破坏过程进行了数值模拟。根据三级配混凝土的骨料数量计算公式,计算混凝土梁内部各级骨料颗粒的数目。采用蒙特卡罗方法,产生骨料颗粒在梁中的随机位置坐标,然后通过Fortran语言编辑子程序,此子程序可以将之前生成的混凝土梁骨料位置坐标进行批处理,同时转化为Ansys软件可读的命令流程序,从而就建立起了混凝土随机骨料模型。再对混凝土材料随机骨料模型进行有限元网格自动剖分,并对各种单元材料进行赋值,在细观层次上较真实的模拟了三级配混凝土复杂的、高度非均质性。采用弹性损伤本构模型,通过数值模拟计算得到混凝土材料在不同种类荷载作用下的应力-应变关系。本文的研究工作可以总结为以下几个方面：（1）通过Ansys软件并且结合Fortran程序建立了新的混凝土随机骨料模型,并且通过改变随机数的方法,将此混凝土模型中骨料位置改变,从而得到了一组骨料位置各不相同的混凝土模型,此模型的主要特点是,骨料数目是相同的,但是骨料位置是随机的,建立这组模型的主要目的在于模拟工程实际当中骨料位置随机分布的特点。（2）对模型施加了静荷载和动荷载,并进行了数值模拟计算,通过对比计算结果以及从数值模拟中得到的P-S曲线图之后,作者利用P-S曲线的拐点处所对应的荷载值确定了混凝土梁的极限承载力。（3）在确定了极限承载力之后,作者对四种骨料位置各不相同的混凝土模型分别施加了静荷载和冲击荷载,并对其进行数值模拟,从计算结果中提取出各梁在静力和冲击荷载作用下的P-S曲线,通过对比得到了当荷载值相同,但是骨料位置不同时混凝土静、动承载力的变化规律。（4）选取之前所建立的4种随机骨料模型之一,对其施加4种不同速率的冲击荷载,并进行数值模拟计算,从而得到了当混凝土梁在受到不同速率冲击荷载作用下的动承载力变化情况,同时结合之前的计算结果,得到了混凝土梁动承载力与静承载力之间的关系。（5）通过对随机骨料模型及材料参数的改动,成功模拟了混凝土梁中存在空洞以及惯性力时的现象,并将数值模拟结果与之前无空洞和无惯性力的数值模拟结果进行对比,从中发现了空洞和惯性力对混凝土梁动承载力的影响规律。本文较为直观的显示了,混凝土梁在受到静荷载和不同加载速率的冲击荷载作用时,其力学性能及损伤破坏的特点,为研究混凝土梁的力学性能及损伤状况提供了新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 目前已开展的混凝土细观数值模拟研究
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 2 计算理论与计算条件
• 2.1 计算理论
• 2.2 随机数及其产生
• 2.3 计算条件
• 2.4 混凝土损伤演化模型
• 3 依据有限元计算确定材料极限承载力
• 3.1 混凝土承载力研究方面的进展
• 3.1.1 前人在研究混凝土承载力方面做出的贡献
• 3.1.2 本文确定混凝土承载力的方法
• 3.2 混凝土梁在静荷载作用下的数值模拟
• 3.2.1 分析步骤如下
• 3.2.2 计算结果如下
• 3.2.3 静力荷载作用下混凝土梁P-S曲线及其损伤破坏特点分析
• 3.3 混凝土在动荷载作用下的细观数值模拟
• 3.3.1 分析步骤如下
• 3.3.2 计算结果如下
• 3.3.3 动力荷载作用下混凝土梁P-S曲线及其损伤破坏特点分析
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 静力加载与动力加载作用时P-S曲线结果对比
• 3.4.2 静力加载与动力加载作用时损伤单元数和破坏单元数结果对比
• 3.5 本章小结
• 4 不同骨料位置对混凝土材料静承载力的影响
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 参数的选取
• 4.2 数值模拟过程
• 4.2.1 混凝土梁细观结构损伤模拟
• 4.2.2 混凝土梁细观数值模拟
• 4.3 混凝土梁在静力荷载作用下的P-S曲线及其损伤破坏特点分析
• 4.4 本章小结
• 5 不同加载速率对混凝土动承载力的影响
• 5.1 模型的建立
• 5.2 数值模拟过程
• 5.2.1 混凝土梁细观结构损伤模拟
• 5.2.2 混凝土梁细观数值模拟
• 5.3 不同速率的冲击荷载作用下混凝土梁的P-S曲线及其损伤破坏
• 5.4 本章小结
• 6 不同骨料位置对混凝土材料动承载力的影响
• 6.1 模型的建立
• 6.2 数值模拟过程
• 6.2.1 混凝土梁细观结构损伤模拟
• 6.2.2 混凝土梁细观数值模拟
• 6.3 骨料位置不同时混凝土梁的P-S曲线及其损伤破坏分析
• 6.4 骨料位置不同时混凝土梁在静、动荷载作用下的承载力及损伤对比
• 6.5 本章小结
• 7 混凝土材料中存在空洞时对其动承载力的影响
• 7.1 研究空洞材料目的及意义
• 7.2 模型的建立
• 7.3 数值模拟过程
• 7.3.1 混凝土梁细观结构损伤模拟
• 7.3.2 混凝土梁细观结构数值模拟
• 7.4 存在空洞单元时混凝土梁的P-S曲线及其损伤破坏分析
• 7.5 本章小结
• 8 惯性力对混凝土梁动承载力的影响
• 8.1 研究背景及本文的研究目的
• 8.2 模型的建立
• 8.3 数值模拟过程
• 8.3.1 混凝土梁细观结构损伤模拟
• 8.3.2 混凝土梁细观结构数值模拟
• 8.4 存在惯性力时混凝土梁的P-S曲线及其损伤破坏
• 8.5 本章小结
• 9. 结论与展望
• 9.1 展望
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间完成的科研成果